Physik mit Ultrakalten Neutronen Ein neues Forschungsgebiet

Präsentation zum Thema: "Physik mit Ultrakalten Neutronen Ein neues Forschungsgebiet"—  Präsentation transkript:

1 Physik mit Ultrakalten Neutronen Ein neues Forschungsgebiet
an der JGU Mainz Universität Mainz, Institut für Kernchemie

2 - Was sind ultrakalte Neutronen?
- Wechselwirkungen von Neutronen - Erzeugung von ultrakalten Neutronen - Experimente mit ultrakalten Neutronen

3 Was sind ultrakalte Neutronen (UCN)?
Freie Neutronen Geschwindigkeit < 7m/s Wellenlänge∼ 1000 Å Energie < 250 neV Temperatur ∼ mK Starke Wechselwirkung Material V (neV) Aluminium 54 58Nickel 350 nat. Nickel 250 Beryllium C - Graphite 180 C - DLC 282 C - Diamant 304 SiO2 (Quartz) 110 Kupfer 170 Edelstahl 188 Eisen 220 Gravitation Magnetische Felder UCN können gespeichert werden in Gravitations- und magnetischen Feldern, sowie zwischen Materialwänden ΔEn = 100 neV/m ΔEn = 60 neV/T V < 350 neV

4 Streuung von Neutronen an Kernen (Fermi)
Neutronenstreuung Streuung von Neutronen an Kernen (Fermi) -> Behandlung mit einem effektiven Potential

5 Fermi: Einführen eines Pseudopotentials
Ersetze tiefes Kernpotential mit Reichweite R -> flaches Pseudopotential mit Reichweite ρ >> R Störungsrechnung (1. Bornsche Näherung) möglich

6 Effektives Potential U
m: Neutronenmasse N: Teilchenzahldichte a: kohärente Streulänge σabs: Absorptionsquerschnitt v: Neutronengeschwindigkeit Effektives Potential U=V: Berechnung von UCN-Reflektion mittels Quantenmechanik (Potentialtöpfe) UCN-Amplitude dringt endlich tief in Material ein Erweiterung auf Absorption: U = V – i W

7 UCN-Reflektion am Beispiel Nickel
EUCN < V -> Reflektivität nahe bei 100% EUCN > V -> Reflektivität geht gegen 0

8 Erzeugung von UCN – am ILL in Grenoble

9 Forschungsreaktor ILL (Institut Laue Langevin)
Thermische Leistung: 54 Megawatt max. Neutronenfluss: 1015 n /cm2 s (thermisch, v=2200 m/s) Zwei kalte Quellen: Remoderation der thermischen Neutronen auf niedrigere Geschwindigkeit

10 Kalte Quelle, Neutronenextraktion, UCN-Turbine
Kalte Quelle (20 Liter Deuterium bei 25 K): Vertikale Extraktion von Neutronen mit v = 50 m/s (very-cold neutrons, VCN) zur UCN-Turbine

11 Abbremsen von Very-Cold neutrons (VCN, v=50 m/s)
UCN-Turbine Abbremsen von Very-Cold neutrons (VCN, v=50 m/s) mittels elastischer Stöße an Turbinenschaufeln (Nickel) zu ultrakalten Neutronen (UCN, v<10 m/s)

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13 Zerfall über die schwache Wechselwirkung
Zerfall des Neutrons Zerfall über die schwache Wechselwirkung Zahlreiche Observablen im Neutronenzerfall, z.B. Lebensdauer τn, Paritätsverletzung (Koeffizient A)

14 Zerfallsschema des Neutrons
ΔI=0 ΔI=1 Zwei Zerfallswege (interferierend) Fermi-Übergang, paritätserhaltend, ΔI=0, Kopplung gv Gamov-Teller-Übergang, p-verletzend, ΔI=1, Kopplung ga Ein Kopplungsparameter: λ=ga/gv

15 Neutronenlebensdauer
Naturkonstanten p νe e-- W --- Quark-Mischung Schwache Wechselwirkung n Prozesse mit ähnlichen Feynman-Graphen Lebensdauer τn , λ und Vud stehen im Zusammenhang Feynman-Graph des N-Zerfalls ist analog zu anderen, wichtigen Prozessen der schwachen Wechselwirkung e+ n n νe e+ - Primordiale Elementsynthese - Neutronensterne - W, Z Produktion W + W + p p νe Neutrino Detektoren Solarer pp Zyklus

16 Problem mit der Neutronenlebensdauer
PDG: Particle Data Group Messungen und Ergebnisse, die ab 2010 von der PDG berücksichtigt werden, drücken Lebensdauer τn nach unten 2013: Mehr als 6 σ Abweichung vom Wert 2010

17 Bestimmung von Vud aus Daten des N-Zerfalls
Problem: Je kleiner die N-Lebensdauer τn, je größer der daraus abgeleitete Wert für Vud und damit die Abweichung von Vud Werten aus anderen Messungen

18 Der Urknall des Universums und die Neutronenlebensdauer

19 Die ersten drei Minuten
Neutronen Protonen

20 Die ersten drei Minuten
Gleichgewicht Neutronen Protonen Nach drei Minuten: n/p=1/7 -> Primordiale Nukleosynthese: n und p verschmelzen zu 4He, freie p bleiben als Wasserstoff übrig Helium (25%) Wasserstoff (75%) N-Lebensdauer τn hat großen Einfluss auf das Verhältnis Helium/Wasserstoff. Wäre τn z.B. viel kleiner, gäbe es mehr Wasserstoff im heutigen Universum

21 Ein Messprinzip zur N-Lebensdauer
UCN Speichervolumen UCN Quelle Verschluss 1. Befüllen Eingangsleiter 2. Speichern 3. Zählen Verschluss Ausgangsleiter UCN Detektor

22 Speicherkurve und Speicherzeit
Prinzip dieser Messmethode: Counting the survivors Idealfall: Gemessene Speicherzeit = N-Lebensdauer τn Problem: Gemessene Speicherzeit ist immer beeinflusst von anderen Verlustkanälen (z.B. Absorption) und damit kleiner als τn

23 Prinzip der Messmethode: Speichern von UCN
Beispiel: MAMBO-I Experimentaufbau variables Speichervolumen Breite 40 cm, Höhe 30 cm Länge cm Wände: Fomblin-Beschichtung (wasserstofffreier Polyether aus C4F12O, „flüssiges Teflon“) Wandpotential Fomblin: 100 neV Prinzip der Messmethode: Speichern von UCN in veränderlichem Speichervolumen. Dadurch Veränderung der freien Weglänge der UCN, Extra-polation der Speicherzeit auf Unendlich, also auf Absorption = 0

24 Beispiel: MAMBO-I Messung der Speicherzeit bei kleinen und bei großen Volumen, Auftragen inverser Werte von Speicherzeit und freier Weglänge (⏏Volumen)

25 Extrapolation der Daten auf unendliches Volumen
Beispiel: MAMBO-I Extrapolation der Daten auf unendliches Volumen -> Schnittpunkt mit y-Achse = N-Lebensdauer τn

26 zur Erinnerung

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28 Für Bestimmung von Vud: Neben τn wird noch λ benötigt
Neutronenzerfall Electron Neutron Spin A Für Bestimmung von Vud: Neben τn wird noch λ benötigt -> Messung aus der Paritätsverletzung im N-Zerfall (Koeffizient A, Elektronenasymmetrie, Wu-Experiment)

29 UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN
Trick: starkes Magnetfeld polarisiert Neutronen, lässt Elektronen auf Spiralbahnen gyrieren. Messung der e- Zählrate (N↑,N↓) in zwei Detektoren Bestimmung der Asymmetrie in den Zählraten

30 UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN

31 UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN
Bestimmung der Asymmetrie in den Zählraten A = v/c Ÿ A0,exp Bestimmung von λ aus A

32 zur Erinnerung

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34 Elektrisches Dipolmoment des Neutrons
Kochrezept für Materie-Antimaterie Asymmetrie (Sacharov-Theorem) - Verletzung Baryonenzahl um ΔB - CP (damit auch T) Verletzung - Thermisches Ungleichgewicht Antimatter Matter Momentane Situation nEDM ☛ Suche nach permanenten elektrischen Dipolmomenten von Atomen, Elektron, Muon, Neutron (nEDM) Zeitumkehr Symmetrie- verletzung Fünf Größenordnungen für neue Physik!

35 Eine Analogie zum CPT-Theorem
Über Symmetrien Eine Analogie zum CPT-Theorem R e l i e f p f e i l e r R e l i e f p f e i l e r Spiegelung Rotation Analogie: Unter der kombinierten Symmetrietransformation C(harge), P(arity) und T(ime) wird jedes physikalische System wieder in den Ausgangszustand zurückgespiegelt R e l i e f p f e i l e r r e l i e f p f e i l e R Translation

36 Das nEDM-Experiment am ILL
Experiment: Im Vakuum, bei Raumtemperatur, B-Feld = 1μT, Schildfaktor (Mu-Metall) = , E-Feld = 10 kV/cm Speicherung polarisierter UCN, Messung der Lamorfrequenz von Neutronen im kombinierten E,B-Feld

37 Vergleich zweier „Uhren“: Lamorpäzession ν der UCN im
Prinzip der Messung Vergleich zweier „Uhren“: Lamorpäzession ν der UCN im B0-Feld und äußere Oszillationsfrequenz, die zweimal einen π/2 Spinflip bewirkt. Ist UCN-Lamorpräzession wegen eines nEDM schneller/langsamer (um δν), laufen beide Uhren aus der Phase -> UCN werden depolarisiert

38 Ramsey-Resonanzkurve
Messung der UCN-Lamorfrequenz mittels Durchfahren der äußeren Oszillationsfrequenz. Ein nEDM würde Änderung der Lamorfrequenz bewirken, messbar am steilsten Punkt der Resonanz (Arbeitspunkte, s.o.)

39 Das nEDM im Laufe der Zeit
Suche nach einem nEDM seit über 50 Jahren hat bisher viele Theorien und Hypothesen zu Erweiterungen des Standardmodells widerlegt H. Abele

40 Zusammensetzung des Universums
Aktuelle Fragen der Astroteilchenphysik Zusammensetzung des Universums Wir kennen nur 4% des Universums.

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42 Neue Wege zur UCN-Erzeugung
Inelastische Neutronstreuung und Energieverlust in superthermischen Medien (Konverter) Akkumulation von UCN im Konverter Helium-4 n Superthermisch heisst : Neutronen und Konverter stehen nicht im thermischen Gleichgewicht Prinzipiell erreichbare UCN-Dichten >>100 / cm3 Deuterium Premoderator UCN n Solid deuterium 5K & 97.5 % ortho D2

43 Neue Wege zur UCN-Erzeugung

44 UCN am TRIGA Mainz Reaktorpuls: 4 x 1015 n cm-2s-1
In Betrieb seit 1965 100 kW im Dauerbetrieb 250 MW im Pulsmodus TRIGA Pulsmodus + superthermische UCN-Quelle + UCN Speicherexperiment ☛ Ideale Kombination Reaktorpuls: 4 x 1015 n cm-2s-1 30 ms, 12 Pulse/Stunde

45 UCN am TRIGA Mainz Pulsbarkeit des Reaktors (möglich alle 5 Minuten)
Fester Wasserstoff Temperatur -250 °C Festes Deuterium Temperatur -270 °C UCN-Speicher Experiment Schnelle Neutronen Kalte Neutronen v = 1000 m/s Ultrakalte Neutronen v < 10 m/s 3 m TRIGA-Puls UCN-Quelle Pulsbarkeit des Reaktors (möglich alle 5 Minuten) Befüllen des UCN-Speichers (im Experiment alle 5-30 Minuten) UCN-Physik am TRIGA Mainz In dieser Kombination weltweit einzigartig

46 Speicher- Experimente
UCN am TRIGA Mainz TRIGAspec UCN Quelle C Strahl- und Speicher- experimente UCN Quelle D Speicher- Experimente

47 UCN am TRIGA Mainz